В России продолжается процесс интенсивного внедрения новых и модернизации существующих локальных вычислительных сетей (ЛВС). Возрастающие размеры сетей, прикладные программные системы, требующие все больших скоростей обмена информацией, повышающиеся требования к надежности и отказоустойчивости вынуждают искать альтернативу традиционным сетям Ethernet и Arcnet. Один из видов высокоскоростных сетей – FDDI (Fiber Distributed Data Interface – распределенный оптоволоконный интерфейс данных).

Сетевые компьютерные комплексы становятся неотъемлемыми средствами производства любой организации или предприятия. Быстрый доступ к информации, ее достоверность повышают вероятность принятия правильных решений персоналом и, в конечном итоге, вероятность выигрыша в конкурентной борьбе. В своих управляющих и информационных системах фирмы видят средства стратегического превосходства над конкурентами и рассматривают инвестиции в них как капитальные вложения.

В связи с тем, что обработка и пересылка информации с помощью компьютеров становятся все быстрее и эффективнее, происходит настоящий информационный взрыв. ЛВС начинают сливаться в территориально-распределенные сети, увеличивается количество подключенных к ЛВС серверов, рабочих станций и периферийного оборудования.

Сегодня в России компьютерные сети многих крупных предприятий и организаций представляют собой одну или несколько ЛВС, построенных на основе стандартов Arcnet или Ethernet. В качестве сетевой операционной среды обычно применяется NetWare v3.12 или Windows NT с одним или несколькими файловыми серверами. Эти ЛВС либо совсем не имеют связи друг с другом, либо соединяются кабелем, работающим в одном из этих стандартов, через внутренние или внешние программные маршрутизаторы NetWare.

Современные операционные системы и прикладное программное обеспечение требуют для своей работы пересылки больших объемов информации. Одновременно с этим требуется обеспечивать передачу информации с большими скоростями и на большие расстояния. Поэтому рано или поздно производительность сетей Ethernet и программных мостов и маршрутизаторов перестают удовлетворять растущим потребностям пользователей, и они начинают рассматривать возможности применения в своих сетях более скоростных стандартов. Одним из них является FDDI.

Общие сведения.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface – Волоконно-оптический интерфейс передачи данных) – стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 километров. На этой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Token ring – Технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркерным доступом» – протокол локальной сети, который находится на канальном уровне (DLL) модели OSI. Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр – токен доступа. После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена – Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном, по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу, лежащего выше FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции. В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее. При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец – это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван сквозным или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и / или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному – по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Поскольку сеть FDDI использует в качестве среды передачи оптоволоконный кабель, то момент разработки технологии во многом оттягивался из-за долгого внедрения оптоволоконных кабелей и устранения ошибок, связанных с новой оптоволоконной технологией.

Еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет. И только в 1980-е годы начались работы по созданию обычных технологий и устройств для использования оптоволоконных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного эталона для локальных сетей были сосредоточены в Американском государственном Институте по Стандартизации – ANSI, в рамках созданного для данной цели комитета X3T9.5.

Начальные версии разных составляющих частей эталона FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986–1988 годах, и тогда же возникло первое оборудование – сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот эталон.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости.

Протоколы FDDI

На рисунке приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме – без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм.

Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам.

Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка.

Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики.

Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;

правила тактирования сигналов;

требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;

правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры:

Протокол передачи токена.

Правила захвата и ретрансляции токена.

Формирование кадра.

Правила генерации и распознавания адресов.

Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.

Правила мониторинга работы кольца и станций.

Управление кольцом.

Процедуры инициализации кольца.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет управления уровнем SMT другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC – логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи токена и кадров данных между портами концентратора.

Состояние.

Разработчики технологии старались воплотить в жизнь следующее:

Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с;

Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода – повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.;

Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Исходя из этого, преимуществом технологии FDDI является сочетание нескольких очень важных для локальных сетей свойств:

1. высокая степень отказоустойчивости;

2. Способность покрывать значительные территории, вплоть до территорий крупных городов;

3. Высокая скорость обмена данными;

4. Детерминированный доступ, позволяющий передавать чувствительные к задержкам приложения;

5. Гибкий механизм распределения пропускной способности кольца между станциями;

6. Возможность работы при коэффициенте загрузки кольца, близком к единице;

7. Возможность легкой трансляции трафика FDDI в графики таких популярных протоколов, как Ethernet и Token Ring за счет совместимости форматов адресов станций и использования общего подуровня LLC.

Пока FDDI – это единственная технология, которой удалось объединить все перечисленные свойства. В других технологиях эти свойства также встречаются, но не в совокупности. Так, технология Fast Ethernet также обладает скоростью передачи данных 100 Мбит/с, но она не позволяет восстанавливать работу сети после однократного обрыва кабеля и не дает возможности работать при большом коэффициенте загрузки сети (если не принимать во внимание коммутацию Fast Ethernet).

К недостаткам следует отнести один – высокую стоимость оборудования. За уникальное сочетание свойств приходится платить – технология FDDI остается самой дорогой 100-мегабитной технологией. Поэтому ее основные области применения – это магистрали кампусов и зданий, а также подключение корпоративных серверов. В этих случаях затраты оказываются обоснованными – магистраль сети должна быть отказоустойчивой и быстрой, то же относится к серверу, построенному на базе дорогой мультипроцессорной платформы и обслуживающему сотни пользователей. Из-за высокой стоимости оборудования решения на основе FDDI уступают решениям на основе Fast Ethernet при строительстве локальных сетей небольшой протяженности, когда стандарт Fast Ethernet предоставляет оптимальное решение.